Alternative Antriebe – E-Mobilität

Henning Wagner
Reinhard Maier
Jürgen Schubert
Alternative Antriebe –
E-Mobilität
Wie wird man Fachkundiger für Arbeiten an
Hochvolt-Systemen im Kraftfahrzeug?
Hybridfahrzeuge · Elektrofahrzeuge · Brennstoffzellen-Fahrzeuge
2., überarbeitete und korrigierte Auflage
Dr.-Ing. Paul Christiani GmbH & Co. KG
Herausgeber und Autor Henning Wagner
Dank!
Wir danken Herrn Gerion Meyer für die freundliche Unterstützung durch die Bereitstellung des Umschlagfotos. Alle weiteren Abbildungen und technischen Informationen sind durch zahlreiche Unternehmen und Institutionen zur Verfügung gestellt worden. Wir danken diesen für die großzügige Unterstützung!
Ein umfangreiches Bildquellenverzeichnis befindet sich auf Seite 370 des Buches.
Ein Großteil der Abbildungen wurden durch den Herausgeber und Autor Henning
Wagner erstellt. Für diese intensive Arbeit und für die Koordination der Mitautoren
dankt der Verlag Herrn Wagner sehr.
Bestell-Nr. 92993
ISBN 978-3-86522-933-5
2., überarbeitete und korrigierte Auflage 2015
© 2015 by Dr.-Ing. Paul Christiani GmbH & Co. KG, Konstanz
Alle Rechte, einschließlich der Fotokopie, Verfilmung, Wiedergabe durch Bild- und Tonträger jeder Art und des auszugsweisen Nachdrucks, vorbehalten. Nach dem Urheberrechtsgesetz ist die Vervielfältigung urheberrechtlich geschützter Werke oder von Teilen daraus auch
für Zwecke von Unterricht und Ausbildung nicht gestattet, außer nach Einwilligung des Verlages und ggf. gegen Zahlung einer Gebühr für die Nutzung fremden geistigen Eigentums.
Nach dem Urheberrechtsgesetz wird mit Freiheitsstrafe bis zu einem Jahr oder mit Geldstrafe bestraft, „wer in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen ohne Einwilligung des
Berechtigten ein Werk vervielfältigt …“
Zu den Autoren
Der Autor Henning Wagner hat vor seinem Maschinenbau-Studium zwei Berufe erlernt und in diesen
jahrelang als Motorrad-Mechaniker und Werkzeugmacher gearbeitet. Er unterrichtet seit über 20 Jahren
Fahrzeugtechnik, insbesondere Fachklassen für Kfz-Elektriker und jetzt Kfz-Mechatroniker im Schwerpunkt Fahrzeug-Kommunikationstechnik sowie in der Meisterschule für das Kraftfahrzeug-Technikerhandwerk.
Als Fachberater für Fahrzeugtechnik ist der Autor im Auftrag seines Regierungspräsidiums und des
Ministeriums für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg seit vielen Jahren sehr engagiert in der
Lehrerfortbildung tätig. Darüber hinaus ist er Mitglied in Lehrplan-Kommissionen, der Umsetzungskommission zur Einführung der Lernfelder und im Landesfachausschuss zur Koordinierung der Abschlussprüfungen der Kfz-Mechatroniker.
Sein besonderes Engagement gilt der Weiterentwicklung des Laborunterrichts in der Berufstheorie des
Berufsschulunterrichts, der durch entsprechende Arbeitsblätter auch in diesem Buch integriert ist.
Aufgrund seines Werdegangs legt der Autor sehr häufig selbst Hand an in der Werkstatt, um die Kfz-Technik aus der Sicht des Werkstatt-Personals, d. h. der Auszubildenden, mitzuerleben und seinen Unterricht
und damit dieses Buch so praxisnah wie möglich auf dem neuesten Stand der Technik zu gestalten.
------Der Autor Reinhard Maier hat den Beruf Kfz-Elektriker und Mechaniker erlernt. In der weiteren Ausbildung hat er den Abschluss als Elektro-Techniker erworben. Er unterrichtet seit über 30 Jahren Fahrzeugtechnik, insbesondere Fachklassen für Kfz-Elektriker und jetzt Kfz-Mechatroniker im Schwerpunkt Fahrzeug-Kommunikationstechnik.
Als Fachbetreuer für Fahrzeugtechnik ist der Autor im Auftrag seines Regierungspräsidiums und des
Ministeriums für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg seit vielen Jahren sehr engagiert in der
Lehrerfortbildung, der Umsetzungskommission zur Einführung der Lernfelder und im Erstellen von Unterrichtseinheiten für den Werkstatt-Unterricht tätig.
Sein besonderes Engagement gilt der Weiterentwicklung des Werkstattunterrichts in der Berufsschule.
------Der Autor Jürgen Schubert ist gelernter Kraftfahrzeug-Mechaniker und -Meister. Als technischer Lehrer
für Fahrzeugtechnik unterrichtet er seit 14 Jahren vor allem Fachpraxis im Werkstattbereich einer beruflichen Schule in Baden-Württemberg. Dabei umfasst sein Tätigkeitsfeld Grundstufen, Fachstufen sowie
die Meisterschule für das Kraftfahrzeug-Technikerhandwerk, hier mit dem Schwerpunkt Elektrik/Elektronik.
Als Fachberater für Fahrzeugtechnik und Mitglied einer Kfz-Arbeitsgruppe ist er für sein Regierungspräsidium tätig. Hier besteht seine Aufgabe in der Aufbereitung aktueller Technikthemen und in deren
Umsetzung bei entsprechenden regionalen und überregionalen Lehrerfortbildungen.
------Diese jahrelangen Erfahrungen lassen die drei Autoren, die auch hauptberuflich ein Team bilden, in den
vorliegenden Lehrgang einfließen.
Vorwort
Infolge des ständig steigenden Interesses aller gesellschaftlichen Gruppen an der neuen E-Mobilität
wollten die Autoren ursprünglich eine Arbeitsunterlage für die Lehrerfortbildung in Baden-Württemberg
erarbeiten. Herausgekommen ist dieses Buch in verschiedenen Versionen für unterschiedliche Interessensgruppen.
So kann sich der allgemein an der Elektro-Mobilität Interessierte fachlich darüber informieren, wie die
Technik in heute verfügbaren Fahrzeugen mit Elektro-, Hybrid- oder Brennstoffzellen-Antrieb funktioniert, wo elektrische Gefahren auftreten, wie diesen Gefahren von Seiten der Hersteller begegnet wird,
wie man mit diesen Fahrzeugen in der Werkstatt umgeht, wie man zu einem Fachkundigen für die Hochvolt-Systeme in diesen E-Fahrzeugen wird und in welchem rechtlichen Rahmen an diesen Fahrzeugen
sicher gearbeitet werden kann.
Man kann dieses Buch zum Selbststudium benutzen, indem man sein Grundwissen mithilfe der Testaufgaben prüft, welche zu jedem dieser Themen zur Verfügung gestellt werden. Die Lösungen befinden sich
im Anhang des Buches.
Dieses Buch kann man auch direkt zu Ausbildungszwecken im betrieblichen oder schulischen Unterricht
verwenden. Es deckt die Inhalte, die nach der BGI 8686 (s. Seite 259) für den elektrotechnischen Laien,
für den elektrotechnisch Vorgebildeten und auch für denjenigen, der sehr umfassend und tiefgehend
in die Materie einsteigen muss, weil er z. B. in der Entwicklung vor SoP (Start of Production) an diesen
Fahrzeugen arbeiten muss.
Hierzu gibt es außer der gebundenen Version zwei Ausgaben in „Loserblattform“ in je einem Arbeitsordner als Schüler- und Lehrer-Ausgabe sowie eine Lösungs-CD. Steht genügend Unterrichtszeit zur Verfügung, z. B. für eine 80-stündige Zusatzqualifikation, die parallel zum normalen Berufsschulunterricht
oder in Kursform unterrichtet wird, so kann der Auszubildende, Schüler oder Meisterschüler kontinuierlich die einzelnen Themen bearbeiten, indem er Verständnis fördernde Mathematik-Aufgaben löst oder
Labor-Versuche mit einfacher Ausstattung durchführt, Verständnisfragen beantwortet, Bilder und Schemata beschriftet, die fast zu jedem Thema angeboten werden.
Benutzt man die Lehrerausgabe oder die gebundene Version, können z. B. 2-tägige Kurse, auch firmenoder organisationsintern, zum Fachkundigen für HV-Systeme für Arbeiten an eigensicheren E-Fahrzeugen durchgeführt werden. Hierzu ist natürlich eine gewisse Grundausstattung mit Original-HV-Bauteilen
aus E-Fahrzeugen sowie ein entsprechendes Fahrzeug für die Freischalt-Übung notwendig.
Dieses Buch und das dahinterstehende Ausbildungskonzept wurden am 21. Juli 2011 von zwei hochrangigen Vertretern der Berufsgenossenschaft BGHM, d. h. den beiden Herausgebern der BGI 8686, Herrn
René Stieper und Herrn Albert Först, zur Prüfung vorgelegt und zur Vermittlung dieser Thematik für hervorragend geeignet befunden und attestiert. Aufgrund dieser Prüfung stellte das Ministerium für Kultus,
Jugend und Sport Baden-Württemberg eigene Zertifikate (s. Seite 272) für die entsprechenden Ausbildungsabschlüsse zu dieser Thematik für Zusatzqualifikationen an Baden-Württembergischen Berufsschulen zur Verfügung. Diese Zertifikate wiederum möchte die Berufsgenossenschaft als Positiv-Beispiele nutzen.
Die besondere Qualität dieses Buches wird auch durch das große Interesse im In- und Ausland verschiedener Ausbildungsorganisationen und Schulen sowie entsprechender Industrie-Unternehmen bezeugt,
indem sie dieses Buch zur Ausbildung einführen.
Inhalt
5
Inhalt
1
Warum muss man eine Hochvolt-Qualifikation besitzen,
um an modernen Kraftfahrzeugen mit E-Antrieben
arbeiten zu dürfen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2
Welches elektrotechnische Grundlagen-Verständnis
muss man auffrischen, um „fit“ für die Hochvolt-Technik
in modernen „E-Kfz“ zu sein? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.1 Warum elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge jetzt? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.2 Wie sieht die Prognose für die Zukunft aus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.3 Wird sich die „Hybrid-“, die reine „Plug-In E-Antriebs-“ oder die
„Brennstoffzellen-Technik“ durchsetzen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
2.2.6
2.2.7
2.2.8
2.2.9
2.2.10
2.2.11
Größen im elektrischen Stromkreis messen und berechnen . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Die Elektrische Spannung U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Laborversuch zum Spannungsfall im einfachen Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Der elektrische Strom I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Der elektrische Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Der elektrische Widerstand R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Laborversuch zum ohmschen Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Laborversuch zur direkten Widerstandsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Rechenaufgaben zum Ohmschen Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Die elektrische Leistung P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Rechenaufgaben zur elektrischen Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Testaufgaben zu 2.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3Schaltpläne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.1 Stromlaufplan in zusammenhängender und aufgelöster Darstellung
am Beispiel der Innenbeleuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.2 Beispiel normgerechter Stromlaufplan Hybridfahrzeug Toyota Prius I . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4
2.4.1
2.4.2
2.4.3
2.4.4
2.4.5
Elektrische Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Parallelschaltung von elektrischen Verbrauchern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Laborversuche zur Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Rechenaufgaben zur Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Parallelschaltung von Spannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Reihenschaltung von elektrischen Verbrauchern
(am Beispiel der Instrumentenbeleuchtung aus 2.4.1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.6 Laborversuche zur Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.7 Rechenaufgaben zur Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.8 Reihenschaltung von Spannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.9 Warum brauchen wir so hohe Spannungen bei E-Mobilität? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.10 Testaufgaben zu 2.3 und 2.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5
2.5.1
2.5.2
2.5.3
2.5.4
2.5.5
2.5.6
2.5.7
2.5.8
2.5.9
2.5.10
2.5.11
Elektrische Spannung speichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Arten der Spannungserzeugung (Überblick) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Spannungserzeugung durch elektrochemische Vorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Laborversuch zur Galvanischen Zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Elektrochemische Spannungsreihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Laborversuch zu Klemmenspannung und Innenwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Anwendungsbeispiele für galvanische Zellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Unterschied zwischen einer galvanischen Zelle und einem Akku . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Aufbau einer herkömmlichen Starterbatterie (Akkumulator) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Lade- und Entladevorgänge in einem Blei-Akku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Blei-Akkus … und die Anwendung im Kraftfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Kennzeichnung herkömmlicher Fahrzeug-Blei-Akkus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6
Inhalt
2.5.12 Nickel-Cadmium-Batterie (NiCd) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5.13 NiMH-Akku … und die Anwendung in elektrisch angetriebenen Kfz . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.5.14Lithium-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.5.15Ladevorschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.5.16 Kühlung der Hochvolt-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5.17 Rechenaufgaben zu Fahrzeug-Batterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.5.18 Der Kondensator als Ladungs- und Energiespeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5.19 Rechenaufgaben zum Kondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.5.20 Laborversuche zum Kondensator als Ladungsspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.5.21 Lade- und Entladekurve des Kondensators mit dem Oszilloskop darstellen . . . . . . . . . . . . . 67
2.5.22 Anwendungsbeispiel Kondensator im Kfz: Sound-Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.5.23 Doppelschicht-Kondensatoren im Kfz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.5.24 Wozu werden Kondensatoren in E-Antrieben von Kraftfahrzeugen benötigt? . . . . . . . . 71
2.5.25 Kondensator zum Glätten von Mischspannungen (Laborversuch) . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.5.26 Der Kondensator im Zwischenkreis des Inverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.5.27 Testaufgaben zu 2.5 (Spannung speichern) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.6
Elektrische Ströme elektromagnetisch schalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.6.1Magnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.6.2 Drehzahl- und Rotorlagensensorik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.6.3 Rotoren mit Dauermagneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.6.4Elektromagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.6.5 Wirkung von Eisen im Magnetfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.6.6 Elektromagnetisches Relais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.6.7 Schütze in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.6.8 Weitere Sicherheits-Relais/Schütze in E-Fahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
2.6.9 Testaufgaben zu 2.6 (Elektrische Ströme elektromagnetisch schalten) . . . . . . . . . . . . . 93
2.7Wechselspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.7.1 Messen mit dem Oszilloskop (analog) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.7.2 Messen mit dem Oszilloskop (digital) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.7.3 Wechselspannung mit dem Oszilloskop messen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.7.4 Messen mit dem Oszilloskop (Motortester) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.8
2.8.1
2.8.2
2.8.3
2.8.4
2.8.5
2.8.6
2.8.7
2.8.8
2.8.9
2.8.10
2.8.11
2.8.12
2.8.13
2.8.14
2.8.15
2.8.16
2.8.17
2.8.18
2.8.19
2.8.20
2.8.21
2.8.22
2.8.23
2.8.24
2.8.25
2.8.26
Elektronische Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Die Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Einfache Gleichrichtung (Laborversuch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Brücken-Gleichrichtung (Laborversuch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Dioden-Fehler und Oberwelligkeit (Laborversuch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Beispiele für Anwendungen von Dioden im Kraftfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Die Zener-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Spannungsstabilisierung mithilfe der Z-Diode (Laborversuch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Die Kennlinie einer Z-Diode aufnehmen und zeichnen (Laborversuch) . . . . . . . . . . . . . 107
Kennlinie einer Z-Diode oszilloskopieren (exemplarisch) (Laborversuch) . . . . . . . . . . . . 108
Prüfung einer Z-Diode mit dem Komponenten-Tester (exemplarisch) (Laborversuch) . 109
Anwendungen von Z-Dioden im Kraftfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Berechnung des Vorwiderstands einer Z-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Der bipolare Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Prinzipschaltungen und Berechnungen am Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Rechenaufgaben zum (bipolaren) Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Der NPN-Transistor als Schalter (Laborversuch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Der PNP-Transistor als Schalter (Laborversuch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Anwendungsbeispiel Transistor als Schalter (Endstufe): Beleuchtung Nfz . . . . . . . . . . . . . 115
Der (unipolare) Feldeffekt-Transistor am Beispiel N-Kanal-MOS-FET . . . . . . . . . . . . . . 116
N-Kanal-MOS-FET als Schalter (Laborversuch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Anwendungsbeispiel MOS-FET (Endstufe) im Kraftfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Der Thyristor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Thyristor-Anwendung in Motorrad-Drehstrom-Gleichrichter und -„Regler“ . . . . . . . . . . . . . 120
Der IGBT-Transistor (Laborversuch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Anwendung des IGBT-Transistors als Wechselrichter in HV-Klima-Kompressoren . . . . 122
Testaufgaben zu 2.7 und 2.8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Inhalt
3
7
Welche elektrischen Maschinen und Geräte werden
in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendet? . . . . . 125
3.1Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.1.1 Spannungserzeugung durch Induktion der Bewegung (Generator-Prinzip) . . . . . . . . . . . . 125
3.1.2 Laborversuch zur Spannungserzeugung durch Induktion der Bewegung . . . . . . . . . . . . 126
3.1.3 Was ist Drehstrom? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.1.4 Drehstromgenerator (Stern- und Dreieckschaltung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.1.5 Bauteile des Drehstrom-Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.1.6 Gleichrichtung der 3-Phasen-Wechselspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.1.7 Drehstrom-Generator mit Erreger-Dioden und Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.1.8Transistor-Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.1.9 Transistor-Regler (Laborversuch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.1.10 Leistungsstarke wassergekühlte Drehstrom-Generatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
3.1.11 Exemplarische Kennlinie eines luftgekühlten Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
3.1.12 Berechnung von Arbeit, Leistung, Wirkungsgrad und Riementrieb beim Generator . . . 139
3.1.13 Hochvolt-Generator im Fahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3.1.14 Gleichrichten als erste Aufgabe des Inverters in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen 142
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.5
3.2.6
DC/AC- und DC/DC-Wandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Spannungserzeugung durch Induktion der Ruhe (Trafo-Prinzip) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Trafo-Prinzip (Laborversuch) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Rechenaufgaben zum Trafo-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Anwendungsbeispiele zum Trafo-Prinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Blockschaltbild eines Inverters im Kfz (einschließlich DC/DC-Wandler) . . . . . . . . . . . . . 147
Aufbau und Funktion eines einfachen DC/DC-Wandlers (Laborversuch)
– Zweite Aufgabe des Inverters: Anheben bzw. Absenken der HV-Spannung im Kfz . . . 148
3.2.7 Aufbau und Funktion einer Ladepumpe bzw. eines Aufwärtswandlers im Kraftfahrzeug 149
3.2.8 Funktion eines DC/AC-Wandlers mit IGBT-Transistoren (Laborversuch) . . . . . . . . . . . . 150
3.2.9 Versuchsaufbau und Ergebnis eines DC/AC-Wandlers bzw. eines Inverters . . . . . . . . . . . . . 151
3.2.10 Wie erzeugt der Inverter einen sinusförmigen Drehstrom für ein steuer­bares Drehfeld?
– Dritte Aufgabe des Inverters in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug . . . . . 152
3.2.11 Testaufgaben zu 3.1 und 3.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
3.3Drehstrommotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
3.3.1 Das Drehfeld aus dem öffentlichen Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
3.3.2 Entstehung der Drehbewegung in einem Drehstrommotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
3.3.3 Prinzip des Synchron-Drehstrommotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
3.3.4 Einsatzbeispiele für Synchron-Motoren in HV-Fahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
3.3.5Asynchron-Drehstrommotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
3.3.6 Vergleich von Synchron- und Asynchron-Maschine als scheiben­förmiger MotorGenerator für Mild-Hybrid-Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.3.7 Kennlinien und Laufverhalten von drehzahl- und lastgesteuerten Drehstrommotoren
im Kraftfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
3.3.8 Rechenaufgaben zu Drehstrommotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
3.3.9 Asynchron-Motor im E-Fahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
3.3.10 Wie kann man mit Gleichstrom ein Drehfeld für einen Drehstrommotor erzeugen? . . . 173
3.3.11 Lehrmittel zum Thema Drehstrommotor im Kraftfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.3.12Kraftfahrzeug-HV-Bordnetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
3.4Gleichstrommotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.4.1 Arbeitsprinzip des Gleichstrommotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
3.4.2 Aufbau und Funktion des Gleichstrommotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
3.4.3 Elektro-Motorische Gegenkraft (EMG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.4.4 Bauarten von Gleichstrommotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
3.4.5Starterdiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
3.4.6Drehzahlregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
3.4.7Gleichstromsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
3.4.8 Laborversuch zum Gleichstromsteller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
3.4.9 Gleichstromsteller im Elektrofahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
3.4.10 Laborversuch zur Freilauf-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
8
Inhalt
3.4.11
3.4.12
3.4.13
3.4.14
Anwendungen des Gleichstrommotors im Kraftfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Starter als spezielle Anwendung im Kraftfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Der BLDC-Motor als Antriebsmotor in E-Fahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
3.5
Leitungen, Kabel, Verbindungssysteme, Ladeeinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
3.5.1 Leitungen, besondere Spezifikationen für HV-Kabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
3.5.2 Schutz für HV-Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
3.5.3 Verlegung von HV-Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
3.5.4 Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) für HV-Kabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
3.5.5 Verbindungssysteme für HV-Kabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
3.5.6 Ladegeräte für E- und Plug-In-Hybridfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
3.5.7 Schaltungsbeispiel für ein Ladegerät in einem Smart ED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
3.5.8Ladesäulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
3.5.9 Ladeleitungen und Steckverbinder für Ladeeinrichtungen von E-Fahrzeugen . . . . . . . . 214
3.5.10 Lade- und Batterie-Tausch-Konzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
3.6Antriebskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
3.6.1 Übersicht verschiedener Generator- und Startersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
3.6.2 Übersicht Antriebskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
3.6.3 Entwicklung des Kurbelwellen­-Startgenerators als Vorstufe zum Mild-Hybrid . . . . . . . 221
3.6.4 Definition Hybridfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
3.6.5Micro-Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
3.6.6Mild-Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
3.6.7 Full- oder Strong-Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
3.6.8 Einteilung der Fahrzeuge nach Anordnung der Antriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
3.7
3.7.1
3.7.2
3.7.3
3.7.4
3.7.5
3.7.6
Werkstatt-Arbeiten und Diagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Diagnose mit dem Werkstatt-Tester . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
Isolations-Widerstand prüfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
HV-Spannung prüfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
HV-Spannung hersteller­spezifisch prüfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Herstellerspezifische Testgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Mechanische Austausch-Arbeiten von Hochvolt-Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
4
Welche Gefahren treten für den Mechatroniker in der
Werkstatt beim Umgang mit elektrisch betriebenen Kfz
auf und wie wird diesen begegnet? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
4.1
4.1.1
4.1.2
Gefährdung durch Einwirkung elektrischer Ströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Physiologische Wirkung des elektrischen Stroms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Auswirkungen auf den menschlichen Organismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
4.2
4.2.1
4.2.2
Gefährdung durch Lichtbogeneinwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Augenschäden durch Licht­intensität und Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Schäden durch Hitze­entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
4.3
Gefährdung durch Sekundärunfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
4.4
Schutzmaßnahmen gegen elektrische Körperdurchströmung und
Lichtbogeneinwirkung im öffentlichen Netz und im Kfz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
4.4.1 Definition/Einteilung von Gefährdungsklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
4.4.2Gefährdungsgrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
4.4.3 Aufbau elektrischer Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
4.4.4 Schutzvorkehrungen in elektrischen Installationen und Geräten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
4.4.5 Schutzmaßnahmen in Kraftfahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
4.4.6 Festlegung „HV-eigensicheres Fahrzeug“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
4.4.7 Sicherheitsmaßnahmen bei Arbeiten an Hochvolt-Fahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
4.5
4.5.1
Verhalten bei Unfällen, Erste Hilfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
Rechtliche Grundlagen bei Hilfeleistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
Inhalt
9
4.5.2
4.5.3
4.5.4
4.5.5
Ablaufschema lebensrettender Sofortmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
Eigensicherung als Helfer, Bergung aus Gefahrenbereichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Schema von Notfallmeldungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Einsatz eines AED (automatisierter externer Defibrillator) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
5
Welche rechtlichen Vorschriften müssen in der Werkstatt
beim Umgang mit elektrisch angetriebenen Fahrzeugen
beachtet werden? Welche Anforderungen werden an das
Werkstatt-Personal gestellt? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
5.1
(Un-)überschaubarer „Wald“ von Gesetzen, Verordnungen und Vorschriften . . . 255
5.1.1Elektrofachkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
5.1.2 Elektrofachkraft für festgelegte Tätigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
5.1.3 Elektrotechnisch unterwiesene Person . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
5.1.4 Elektrotechnischer Laie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
5.1.5
Verantwortliche Elektro­fachkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
5.1.6 Verantwortung der Elektrofachkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
5.1.7Unternehmerverantwortung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
5.1.8 Fachkundiger für Arbeiten an HV-eigensicheren Fahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
5.1.9 Bedeutung dieser Vorschriften für Schulen, Bildungszentren und deren
(Schul-) Leitungen beim Erwerb und bei der Nutzung von HV-Fahrzeugen . . . . . . . . . . 262
5.2
5.2.1
5.2.2
5.2.3
5.2.4
5.2.5
5.2.6
Auswirkungen der Gesetze und Vorschriften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Folgen von Pflichtverletzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Gefährdungsbeurteilung (Risikobewertung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Betriebsanweisung – Gebrauchsanweisung – Hersteller-Produktschulung . . . . . . . . . . . . . 265
Unterweisung des Werkstatt-Personals/der Auszubildenden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Elektrisches Freischalten der betroffenen Fahrzeuge (Grundsatz) . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
Spannungsfreiheit feststellen und dokumentieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
5.3
Beispiele für Zertifikate „Fachkundiger (ehemals Elektrofachkraft) für
HV-Systeme in Kfz“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
5.4
Zertifikat für die Sensibilisierung für die Durchführung nicht-elektrotechnischer
Arbeiten an HV-Fahrzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
5.5
Höhere Anforderungen für Entwickler, Nach- und Umrüster von Fahrzeugen
und bei Arbeiten unter Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
5.6
Besondere Rechtsvorschrift für die Prüfung „Zusatzqualifikation Fachkraft …“
der IHK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
6
Beschreibung der Technik und des Freischaltens anhand
exemplarischer Beispiele konkreter Serienfahrzeuge . . . . . 279
6.1
Beispiel „Mild-Hybrid“: Mercedes S 400 Hybrid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
6.1.1 Aufbau des Systems mit Einbindung ins Kraftfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
6.1.2Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
6.1.3 Betroffene Nebenaggregate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
6.1.4 Rekuperatives Bremsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
6.1.5 Schaltung rekuperatives Bremssystem (RBS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
6.1.6 Kühlung der HV-Aggregate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
6.1.7 Funktion und Anzeige des Energieflusses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
6.1.8 Sicherheitsphilosophie des Herstellers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
6.1.9 Freischalten und Spannungsfreiheit feststellen und dokumentieren . . . . . . . . . . . . . . . 287
6.2
6.2.1
6.2.2
Beispiel „Voll-Hybrid“: Toyota Prius mit Integration der Motor-Generatoren
in das Getriebe für Frontantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
Überblick Hybridfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
Aufbau des Systems mit Einbindung ins Kraftfahrzeug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
10
Inhalt
6.2.3 Bauteile und Besonderheiten beim Toyota Prius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
6.2.4 Aufgaben der Hauptkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
6.2.5 Wozu wird ein Inverter benötigt? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
6.2.6 Auslegung des Verbrennungsmotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
6.2.7Hybrid-Antriebseinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
6.2.8 Antrieb und Fahrsituationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
6.2.9 Nomografisches Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
6.2.10 Bedienung und Anzeigen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
6.2.11 12-V-Spannungsversorgung und Aufbau des Hochvolt-Bordnetzes . . . . . . . . . . . . . . . 299
6.2.12 Sicherheitsphilosophie des Herstellers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
6.3
6.3.1
6.3.2
6.3.3
6.3.4
6.3.5
Beispiel „Elektrofahrzeug“: Smart ED (Electric Drive) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
Kleiner Überblick über weitere Elektrofahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
Welche Regeln gelten beim Umgang mit rein elektrischen Kraftfahrzeugen
im Vergleich zu Hybridfahrzeugen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
Bauteile und Besonderheiten beim smart fortwo ed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
Erläuterungen zu den Hauptkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Freischalten und Spannungsfreiheit feststellen und dokumentieren . . . . . . . . . . . . . . . 315
6.4
Beispiel „Brennstoffzellen-Fahrzeug“: Mercedes B-Klasse F-Cell . . . . . . . . . . . . 317
6.4.1 Geschichtliche Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
6.4.2Brennstoffzellensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
6.4.3 Funktionsprinzip der PEM-Brennstoffzelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
6.4.4 Aufbau eines Brennstoffzellen-Stacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
6.4.5 Schematischer Aufbau eines BZ-Fahrzeugs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
6.4.6 Vorgänge im Fahrbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
6.4.7Wasserstoff-Speichersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
6.4.8Wirkungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
6.5
6.5.1
Beispiele für weitere Hybrid- und E-Fahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
Mercedes Atego Hybrid als Beispiel für den Einsatz von E-Antrieben
im Nutzfahrzeug-Bereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
6.5.2Elektro-Fahrräder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
6.5.3 Elektro-Roller, Elektro-Bikes, Elektro-Dreiräder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
7.1
Fachbegriffe nach Langenscheidt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
7.2Bildquellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
7.3Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371